無(wú)刷直流電機(jī)的直接功率控制研究*

程軍輝，黃友銳，唐超禮，陳珍萍，張超超

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

無(wú)刷直流電機(jī)的直接功率控制研究*

程軍輝，黃友銳，唐超禮，陳珍萍，張超超

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

在對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)有功功率和無(wú)功功率分析的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析直接轉(zhuǎn)矩控制和磁場(chǎng)定向控制，提出一種無(wú)刷直流電機(jī)的直接功率控制策略和方法。該方法通過(guò)對(duì)瞬時(shí)有功功率、無(wú)功功率和磁鏈角度的計(jì)算，得到轉(zhuǎn)矩與磁鏈之間的關(guān)系，并根據(jù)功率開(kāi)關(guān)表選擇合適的電壓開(kāi)關(guān)矢量，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的直接控制。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，采用直接功率控制策略的調(diào)速系統(tǒng)提高了控制系統(tǒng)的功率因數(shù)，減少了到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，能很好地降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，該方法在各種工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合中具有很好的應(yīng)用前景。

無(wú)刷直流電機(jī)；直接功率控制；功率開(kāi)關(guān)表；電壓開(kāi)關(guān)矢量

0　引言

目前無(wú)刷直流電機(jī)比較成熟的高性能控制方法主要包括直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，DTC)和磁場(chǎng)定向控制(Field Oriented Control，F(xiàn)OC)[1]。但 DTC和FOC兩種控制方式都存在一定的缺陷與不足：DTC在定子坐標(biāo)系上進(jìn)行積分運(yùn)算，從而直接得到開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)，但是其低速時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，不能獲得穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)頻率[2-4]。FOC在運(yùn)行過(guò)程中要求定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)冀K垂直，需要通過(guò)電流控制器對(duì)磁場(chǎng)電流進(jìn)行控制，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)具有很強(qiáng)的依賴性。

本文在對(duì)DTC和FOC兩種控制策略研究的基礎(chǔ)上，提出通過(guò)瞬時(shí)功率開(kāi)關(guān)表對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行直接功率控制（Direct Power Control，DPC）的策略，對(duì)電機(jī)的瞬時(shí)有功功率、瞬時(shí)無(wú)功功率及磁鏈角度進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算得到相應(yīng)的電壓開(kāi)關(guān)矢量，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)電機(jī)的瞬時(shí)功率進(jìn)行直接控制[5-7]。通過(guò)仿真和具體的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略的合理性，能夠保證電機(jī)運(yùn)行時(shí)的無(wú)功功率為零，同時(shí)也可以減小系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使得系統(tǒng)具有節(jié)能性和高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。

1　瞬時(shí)功率理論

瞬時(shí)有功功率P和瞬時(shí)無(wú)功功率Q是瞬時(shí)功率理論的研究基礎(chǔ)。假定無(wú)刷直流電機(jī)的三相電壓和三相電流的瞬時(shí)值分別為 ua、ub、uc和 ia、ib、ic，并通過(guò) Clark變換將其從abc三相靜止坐標(biāo)系變換到αβ兩相靜止坐標(biāo)系下。如圖1所示，電壓uα、uβ和電流 iα、iβ分別為電壓矢量U和電流矢量I在α和β軸上的對(duì)應(yīng)分量，φ表示電壓和電流之間的夾角。瞬時(shí)有功電流id和瞬時(shí)無(wú)功電流iq分別為I在U及其法線上的投影。

定義三相瞬時(shí)有功功率為瞬時(shí)電壓矢量與瞬時(shí)電流矢量的向量積，三相瞬時(shí)無(wú)功功率為瞬時(shí)電壓矢量和瞬時(shí)電流矢量的叉乘，即：

由圖1和式(2)可得有功功率和無(wú)功功率的表達(dá)式為：

圖1　電壓電流矢量圖

2　無(wú)刷直流電機(jī)直接功率控制系統(tǒng)方案

2.1直接功率控制方案原則

如圖2所示為無(wú)刷直流電機(jī)定子磁鏈φs和轉(zhuǎn)子磁鏈 φf(shuō)矢量之間的關(guān)系。

圖2　電機(jī)運(yùn)行時(shí)定子、轉(zhuǎn)子磁鏈關(guān)系圖

無(wú)刷直流電機(jī)瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率的表達(dá)式如下所示：

式（4）和式（5）中，下標(biāo) s表示定子 α-β坐標(biāo)系，Ps表示有功功率、Qs表示無(wú)功功率、ωr表示轉(zhuǎn)子角速度、φs表示定子磁鏈、φf(shuō)表示轉(zhuǎn)子磁鏈、θ表示定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角，即負(fù)載角。

無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，不需要?jiǎng)?lì)磁電流，若要求在工作電流最小的前提下，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，則無(wú)功功率 Qs需維持為零，則由式(5)可知，應(yīng)有。

根據(jù)以上的公式及分析可得到無(wú)刷直流電機(jī)直接功率方案的基本原則：(1)系統(tǒng)初始給定無(wú)功功率的值為0，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中調(diào)節(jié)定子磁鏈的值來(lái)保證運(yùn)行的實(shí)際值為0；(2)通過(guò)調(diào)節(jié)θ的大小來(lái)調(diào)節(jié)有功功率，從而控制實(shí)際運(yùn)行的電磁轉(zhuǎn)矩的大小。

2.2直接功率控制系統(tǒng)方案

如圖3所示為 DPC控制系統(tǒng)框圖，變量 ia、ib、ic為通過(guò)電流互感器檢測(cè)到的三相電流值，該值通過(guò) Clark變換后計(jì)算出瞬時(shí)有功P和瞬時(shí)無(wú)功功率Q，并與給定值P*、Q*比較后送入滯環(huán)比較器，Sp、Sq為滯環(huán)比較器的輸出，通過(guò)查詢功率開(kāi)關(guān)表得到相應(yīng)的電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)量Sa、Sb、Sc。其中n作為實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速 n*進(jìn)行比較并送入PI調(diào)節(jié)器，得到瞬時(shí)給定功率P*。

圖3　BLDCM直接功率控制系統(tǒng)框圖

根據(jù)逆變器給定直流電壓Udc和電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)量可得到如下所示定子電壓矢量：

將變量從三相定子坐標(biāo)系 a-b-c變換到兩相定子坐標(biāo)系αβ坐標(biāo)系，即Clark變換：

上式中，x表示電流或電壓。

將式(6)代入式(7)，可得

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，將檢測(cè)到的電機(jī)實(shí)時(shí)三相電流值ia、ib、ic代入式(7)，得到 αβ坐標(biāo)系下的相應(yīng)電流分量iα、iβ。然后將 usα、usβ、isα、isβ同時(shí)代入式(3)計(jì)算并得到瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率的估計(jì)值：

將計(jì)算得到的瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率與相應(yīng)的給定值進(jìn)行比較并通過(guò)滯環(huán)比較器進(jìn)行比較，兩個(gè)滯環(huán)比較器的環(huán)寬分別為pr和qr。根據(jù)以下規(guī)則定義:

根據(jù)式(10)和式(11)可知，Sq=1表示在該周期內(nèi)無(wú)功功率的給定值大于估計(jì)值，在下一個(gè)控制周期內(nèi)需要增大輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)增加無(wú)功功率輸入；Sq=0表示在該周期內(nèi)無(wú)功功率的給定值小于估計(jì)值，在下一個(gè)控制周期內(nèi)需要減小輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)降低無(wú)功功率輸入。有功功率的滯環(huán)比較輸入與無(wú)功功率的類(lèi)似。

3　仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)圖3所示BLDCM調(diào)速系統(tǒng)在 Simulink環(huán)境下搭建了直接功率控制的具體仿真模型。該模型主要包括Clark變換模塊、瞬時(shí)功率計(jì)算模塊、磁鏈角度計(jì)算模塊、轉(zhuǎn)速PI模塊、滯環(huán)比較器模塊和直接功率開(kāi)關(guān)表模塊。

考慮到實(shí)驗(yàn)室的具體情況，為保證仿真和實(shí)驗(yàn)的一致性，仿真所選用的無(wú)刷直流電機(jī)模型的參數(shù)如下：額定功率 PN=200 W，額定電壓UN=48 V，極對(duì)數(shù) p=4，額定轉(zhuǎn)速nN=3 000 r/min，定子電阻Rs=0.45 Ω，定子電感Ls= 0.5 mH。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，電機(jī)從 0～0.05 s內(nèi)給定初始轉(zhuǎn)矩 2N·m條件下由靜止運(yùn)行到額定轉(zhuǎn)速，在 0.05 s時(shí)刻將轉(zhuǎn)矩增加為4N·m，由此驗(yàn)證電機(jī)在直接功率控制策略下的控制性能。圖4所示為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩波形，如圖5和圖6所示分別為為電機(jī)運(yùn)行時(shí)刻的abc三相電流波形和直軸、交軸的電流波形。圖7所示為定子磁鏈系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的定子磁鏈軌跡。圖8所示為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速波形，當(dāng)0.15 s時(shí)增加負(fù)載，通過(guò)直接功率控制可以很快使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

圖4　轉(zhuǎn)矩波形

圖5　abc三相電流波形

圖6　交軸與直軸電流波形

圖7　定子磁鏈軌跡

圖8　轉(zhuǎn)速波形

圖9和圖10所示為隨著系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化，瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率的實(shí)時(shí)波形，無(wú)功功率基本可維持在0左右，有功功率也可以維持穩(wěn)定。

搭建無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)仿真模型進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)參數(shù)和仿真一致，采用STM32F407作為系統(tǒng)的控制器。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量主要通過(guò)示波器和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x等工具實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)處理并呈現(xiàn)。

圖9　無(wú)功功率

圖10　有功功率

4　結(jié)論

本文將直接功率控制理論應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且易于實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)直接功率控制策略的理論分析、Matlab仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)論表明可以通過(guò)對(duì)電機(jī)定子磁場(chǎng)和磁鏈角度的控制改變電機(jī)輸出的瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。能夠保證電機(jī)運(yùn)行時(shí)的無(wú)功功率為零，同時(shí)也可以減小系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使得系統(tǒng)具有節(jié)能性和高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。該方案應(yīng)用于工業(yè)控制及其相關(guān)控制與應(yīng)用場(chǎng)合，具有很好的應(yīng)用前景。

[1]趙方平，楊勇，阮毅，等.三相并網(wǎng)逆變器直接功率控制和直接功率預(yù)測(cè)控制的對(duì)比[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012(7)：212-220.

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Research of direct power control for BLDCM

Cheng Junhui，Huang Yourui，Tang Chaoli，Chen Zhenping，Zhang Chaochao
（College of Electrical and Information Engineering，An Hui University of Science and Technology，Huainan 232001，China）

Based on the BLDCM active power and reactive power analysis,compared with the vector control and direct torque control，deduced the relationship between electromagnetic torque and rotor flux，proposed direct power control(DPC)method based on the power switch table BLDCM.The simulation and experimental results show that use direct power control strategy of speed control system to improve the control system power factor,reducing the time to reach steady state,and the torque ripple,in the practical application of the method has a good prospect.

BLDCM；direct power control；power switch table；voltage switching vector

TM341

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.029

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51274011)；安徽省“工業(yè)節(jié)點(diǎn)與電能質(zhì)量控制”協(xié)同創(chuàng)新中心開(kāi)放基金

2015-08-20)

程軍輝（1991-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，E-mail：austchengjunhui@126.com。

中文引用格式：程軍輝，黃友銳，唐超禮，等.無(wú)刷直流電機(jī)的直接功率控制研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(2)：106-109.

英文引用格式：Cheng Junhui，Huang Yourui，Tang Chaoli，et al.Research of direct power control for BLDCM[J].Application of Electronic Technique，2016，42(2)：106-109.